自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍控制電路設(shè)計(jì)

　　ATmega8的I/O口輸出負(fù)載能力最大為40mA,無法直接驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備，必須通過中間驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)功率設(shè)備工作狀態(tài)的控制。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動(dòng)。由于繼電器或交流接觸器具有機(jī)械接觸特點(diǎn)，因而在很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。可控硅是功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，能在高電壓、電流條件下工作，有無機(jī)械接觸、大具體積小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中。為了避免機(jī)械接觸開關(guān)的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動(dòng)電路。加熱驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖4所示。

　　當(dāng)ATmega8的23腳(PC0端)輸出高電平時(shí)，通過限流保護(hù)電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIACI柵極被經(jīng)由R1、R2和雙向光電耦合器的信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通，加熱電路得電工作;當(dāng)ATmega8的23腳(PC0端)輸出低電平時(shí)，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIACI柵極無觸發(fā)信號(hào)被關(guān)斷，加熱電路斷電停止工作。

　　電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關(guān)斷時(shí)加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對(duì)后續(xù)電路的影響。同時(shí)，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強(qiáng)弱電路，避免了大功率器件對(duì)單片機(jī)的干擾。

　　2.4 加熱元器件的選用

　　通過各類加熱管、電阻式加熱絲、陶瓷發(fā)熱元器件的加熱效果進(jìn)行反復(fù)篩選，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行論證試驗(yàn)，最終選用電阻加熱絲為風(fēng)傳感器防凍害的加熱元件。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　控制程序由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、加熱控制等部分組成。通過采集程序讀取自動(dòng)氣象站自動(dòng)生成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，提取氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，若達(dá)到設(shè)定的臨界參數(shù)時(shí)，通過串口給ATmega8發(fā)出控制指令，自動(dòng)啟動(dòng)加熱電路工作，待延時(shí)一定時(shí)間(達(dá)到設(shè)定的加熱持續(xù)時(shí)間或不滿足凍結(jié)條件時(shí))發(fā)出停止加熱指令，斷開加熱電路，關(guān)閉加熱狀態(tài)。也可以使用該軟件選擇“人工啟動(dòng)”方式，人工控制加熱電路的啟動(dòng)與停止，達(dá)到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍、融凍的目的。

　　控制程序基于Visual Basic 6.0開發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調(diào)用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工異步通信。用戶可通過該軟件任意控制加熱電路的運(yùn)行。軟件運(yùn)行界面如圖5所示。

　　控制程序一般安裝在自動(dòng)氣象站監(jiān)控微機(jī)上便于讀取實(shí)時(shí)觀測(cè)資料。若安裝在其它微機(jī)上，則必須設(shè)定實(shí)時(shí)觀測(cè)資料的共享路徑。若微機(jī)串口不夠用，可以使用USB轉(zhuǎn)232 接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但需安裝USB線驅(qū)動(dòng)程序，并在控制程序中正確設(shè)定串口的端口號(hào)。開發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線驅(qū)動(dòng)程序試驗(yàn)運(yùn)行通過。

　　4 硬件安裝

　　4.1 加熱裝置

　　自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置選用電阻加熱絲為加熱元件，安裝在傳感器內(nèi)部。優(yōu)點(diǎn)是：①由于對(duì)風(fēng)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，沒有機(jī)械摩擦影響，對(duì)測(cè)風(fēng)光電計(jì)數(shù)器沒有影響。因此，不影響觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性;②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護(hù)性、易維修和價(jià)格低廉等特點(diǎn);③加熱裝置的預(yù)期壽命及周期為2a以上，便于自動(dòng)氣象站定期維護(hù)。

　　4.2 加熱導(dǎo)線和供電電源

　　自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置利用廠家預(yù)留的空間位置，導(dǎo)線與自動(dòng)氣象站供電線路走向相同，通過自動(dòng)氣象站風(fēng)桿內(nèi)部送到傳感器，不影響美觀，同時(shí)保證能抗雷擊和電磁干擾。

　　使用交流電源變壓器將自動(dòng)氣象站供電的220V交流轉(zhuǎn)換為36V(安全電壓)，作為加熱電壓，以保證對(duì)人體和儀器的安全。電熱絲電阻為150Ω，加熱功率為8.64W。整個(gè)電路體積小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器機(jī)箱內(nèi)。